為解決軸流式調節閥控制精度低、出現阻塞流以及空化等問題，本文通過數值模擬方法對軸流式調節閥進行流場特性研究，并利用NI USB數據采集工具和Labview上位機開發，對調節閥的壓力、流量進行了數據采集，研究調節閥內部流場的物理變化規律。結果表明：對套筒結構參數進行優化設計，籠罩的多級壓降可較好地滿足設計工況下的流量與壓降要求，其中三層籠罩結構具有良好的空化抑制作用，達到了提高調節閥的控制精度、避免阻塞流以及抑制空化的目的。本研究為同類型軸流式調節閥的結構設計提供理論支撐。

概述

軸流式調節閥在水利水電、長輸管線、供水工程、燃氣工程以及大型航空航天測試系統中均有廣泛應用。在水利方面，軸流式調節閥主要用于調節管道介質流量、流態以及管網壓力，通過專用的四桿機構傳動裝置驅動閥芯移動，從而改變籠罩的窗口面積實現介質壓力、流量的控制。通常閥的流量隨著閥進出口壓力差的增大而增大，但當壓差增加到一定時，流量將不隨壓差的增加而增加，從而導致流動受阻。當介質流經節流元件后壓力低于其工作溫度下的飽和蒸氣壓時，存在部分液態介質氣化為氣泡且隨液體介質繼續流動，當恢復壓力大于飽和蒸氣壓后，氣泡不斷破滅，此種現象被稱為空化。氣泡產生破滅的沖擊能會對閥內零件造成極大的損壞，因此消除或弱化空化危害是閥門行業的研究重點。

據有關報道，空化是很難完全消除的，只能盡可能地弱化其危害?？栈F象的抑制主要有改進閥門結構或者強化閥門內表面兩種方法；其中，優化閥門結構、改變節流方法并確定合適的閥門參數是抑制空化的主要手段。目前，軸流式調節閥的研究主要集中在開度調節的結構設計和測試裝置的研究。馮萬平等針對大口徑軸流式調節閥的流量特性和流阻特性未開發相應的測試裝置、設計周期較長以及無法實現此類閥門的準確選型等問題，以某閥門企業生產的高軸流式調節閥為例，結合熱應力相關知識得出500 ℃高溫工況的熱間隙補償方案，為高溫軸流式調節閥的運動副優化及研制提供了可靠的借鑒意義。而針對大口徑軸流式調節閥空化抑制還需進一步研究。

因此，本文針對某閥門企業所生產的軸流式調節閥，在測試調壓過程中出現阻塞流以及空化現象問題，通過多相流流動的基本控制方程、氣泡空化流動控制方程，利用FLUENT軟件進行數值模擬，分析軸流式調節閥在關鍵流場區域的瞬時流態、流量特性曲線，并對比不同結構下的流場空化程度，優化籠罩結構，以實現空化抑制的目的。

軸流式調節閥設計

軸流式調節閥的結構如圖1所示，主要由前閥體、中閥體、后閥體、籠罩、閥芯、導向機構和曲柄滑塊機構等組成。中閥體內有多條順流向的加強筋板將閥體與閥內零件相連，從而構成一個完整的環形流道。閥芯在導向機構的作用下，沿著軸線做軸向移動，進而實現閥門的開啟和關閉。當閥芯軸向移動時，閥門籠罩上流量調節窗口的面積將發生相應變化，從而實現調節閥的開度變化，完成對介質流量的調節。通過更換不同的閥芯，即開設不同的窗口，改變調節閥的控制特性，以滿足不同的流量調節需求。

1.前閥體 2.中閥體 3.后閥體 4.籠罩 5.閥芯 6.導向機構 7.曲柄滑塊機構

圖1調節閥結構示意圖

根據軸流式調節閥運行工況的要求，本文設計出該工況要求下的調節閥參數，技術參數如表1所示。調節閥流動介質為60 ℃的工業水，質量流量W為2200 m³/h，閥前壓力為1.5 MPa，閥后壓力為0.15 MPa。根據表1給出的調節閥工況數據，在此工況下，若使用常規調節閥，將會因阻塞流而造成空化現象。因此，需采用多級降壓的方式抑制空化的產生，其核心思維是將各級閥座和閥桿間的壓降降低至阻塞流壓差內。根據多級降壓原理，得到的計算公式如下：

（1）

式中  Δp——非阻塞流壓差，MPa

Δp₁——第一級壓降，MPa

表1  調節閥技術參數

根據阻塞流公式可知，一級降壓必定產生阻塞流現象，從而導致嚴重的空化現象，造成調節閥疲勞腐蝕?？紤]到軸流式調節閥的結構特點和閥芯的安裝位置，此調節閥可采用二、三級并聯式結構，并通過公式（1）計算降壓條件下的各級流量系數。由調節閥相關經驗可知，流通面積S約等于16.98倍的流量系數C_v，因此得出此閥各級流量和面積的數值，經驗公示如式（2）所示。

（2）

式中  γ——介質工況溫度下重度，N/m3

Δp_sizing——各級工作壓降，MPa

 數學模型建立 

根據設計圖紙和技術要求，建立調節閥的結構模型，如圖2所示，忽略倒角、螺紋以及細小孔洞等對流場分析影響較小的特征。為保證調節閥接近真實工況，調節閥進出口的介質處于穩定狀態，避免回流對流場的影響，分別將進、出口端的流場增加了7倍管口直徑長的管道。隨后利用Geometr模塊和Mesh模塊進行流道抽取和網格劃分。由于調節閥閥芯和籠罩形成的喉口處壓力梯度變化較大，故對此處的網格進行加密處理，網格劃分結果如圖3所示。通過查取飽和蒸汽表，60℃介質水在該工況下的壓力、溫度處于動平衡，介質狀態不易發生相變，但需關注小開度情況下的相變情況。此外，將進口邊界條件設置為壓力進口，出口邊界條件設置為壓力出口，選擇湍流k-ε模型，采用穩態算法進行求解。

圖2  調節閥三維模型示意圖

圖3  調節閥網格劃分示意圖

模擬結果分析

調節閥在相對開度20%~80%之間工作，本次數值模擬以20%的相對開度增量對不同套筒層數的調節閥模型進行數值模擬。通過對調節閥內部的速度場、壓力場以及氣相體積分數呈現出的變化規律進行提取和分析，得出調節閥的流動規律、減壓效果和空化程度，找出較為合理的閥門參數。

速度場分析

在速度場方面，二層、三層籠罩4個開度下的流場分布如圖4和圖5所示，可以看出介質進入套筒控制閥后，從前閥體流向后閥體上腔，并被閥門的籠罩分成多股水流，通過籠罩的孔口進入中心空腔。多股水流在中心腔和底部腔的結合處匯合，最終流向閥門的出口。當介質流過籠罩的孔口時形成射流，在喉口處速度最大。兩層籠罩時的最大流速在54~59 m/s之間，三層籠罩時的最大流速在45~55 m/s之間。對比二層、三層籠罩的4個開度發現，隨著開度的增加，流體流過套筒的阻力減小，最大流速呈現出減小趨勢，經過節流孔后的流速不超過30 m/s。因此，根據文丘里效應可知，流速增大壓力將減小，介質節流孔中極大可能會發生空化現象，在后續的壓力場和氣相體積分數的分析中，應重點關注節流孔中的變化規律。通過CFD-Post后處理得到出口的流量約為2198.83 m³/h，與工況流量要求的2200 m³/h進行對比，誤差在1%以內，證明二層、三層籠罩均能滿足流量要求。

(a)20% (b)40% (c)60% (d)80%

圖4二層速度云圖

(a)20% (b)40% (c)60% (d)80%

圖5三層速度云圖

壓力場分析

在壓力場方面，二層、三層套筒調節閥模型的壓力分布如圖6和圖7所示，隨著介質水從閥門的入口流向出口，其壓力逐漸從1.5 MPa下降到0.15 MPa。通過圖6可以看出，介質經過二層套筒節流孔后的壓強均驟降，其中20%開度下的最低壓強為-0.045 MPa，40%開度下的最低壓強為-0.0007 MPa，60%開度下的最低壓強為0.05202 MPa，80%開度下的最低壓強為0.06391 MPa，對比工況下介質的飽和蒸氣壓p_v（p_v=0.0199 MPa）發現，此現象將導致小開度情況下該區域發生空化。由于空化產生的氣泡隨著壓強變化而逐漸破裂，產生的巨大表面應力將反復作用于壁面，導致材料疲勞失效并分離脫落。由圖7可以看出，介質經過三層套筒的逐層減壓后，20%開度下的最低壓強為0.05758 MPa，40%開度下的最低壓強為0.06837 MPa，60%開度下的最低壓強為0.08125 MPa，80%開度下的最低壓強為0.09517 MPa。對比工況下介質的飽和蒸氣壓p_v，調節閥內最低壓強均為低于飽蒸汽壓。由此可見，三層套筒對空化現象的抑制作用較二層套筒效果明顯，三層套筒模型在該工況條件下可有效地抑制空化現象。

(a)20% (b)40% (c)60% (d)80%

圖6  二層壓力云圖

(a)20% (b)40% (c)60% (d)80%

圖7 三層壓力云圖

圖8為籠罩附近采樣點1~800的壓力變化曲線圖。由圖可知，流體介質進入籠罩后，壓力從1.5 MPa迅速下降。在籠罩層數相同的情況下，壓力梯度隨著開度的增大而減小。隨著流體在閥內的流動，閥后段的中腔存在一個壓力恢復區，壓力逐漸恢復到0.15 MPa并趨于穩定，這是由于籠罩節流孔處的噴流和籠罩底部結構所致，壓力的不均勻性使得閥內的流動呈現出不穩定趨勢。對比圖8（a）和（b）發現，二層籠罩在壓力下降過程中，不同開度的最小壓力值相差較大，而三層籠罩在不同開度下的調壓均表現出了良好的性能，未出現低于飽和蒸氣壓的情況；同時，經過三層籠罩的低壓區壓力恢復比二層籠罩的低壓區壓力更加平穩，因此三層套筒的減壓效果更為顯著，流體在經過三層套筒的逐層減壓后，壓力變化更加平穩，且最低壓力值較高，有利于抑制空化現象的發生。此外，在不同開度下，籠罩附近采樣點壓力變化曲線呈現出的規律相似；但開度越大，壓力降的幅度越小（隨著開度增加采樣點的壓力最小值在增加），這進一步驗證了數值模擬結果的準確性和合理性。

(a)二層采樣點壓力變化曲線 (b)三層采樣點壓力變化曲線

圖8 采樣點壓力變化曲線

結構參數對空化特性的影響

圖9為二層、三層籠罩在開度為20%、40%、60%、80%的氣相體積分數?？梢钥闯?，二層籠罩在開度為20%、40%、60%、80%的氣相體積分數分別為0.92、0.90、0.90、0.50，三層籠罩在開度為20%、40%、60%、80%的氣相體積分數分別為0.22、0.13、0.09、0.05；對比調節閥在相同開度下的二級和三級減壓籠罩，三級減壓過程中空化強度呈現出有效減小趨勢，隨著空化強度的降低，調節閥內部流場在此工況下的汽蝕現象可有效抑制。此外，通過對比同一減壓層級下的不同開度可知，氣相體積分數隨著開度的增加而逐漸減小，開度在60%之后不再增加。根據氣相體積分數的分布情況，選取三級籠罩減壓能夠保證調節閥在結構設計合理、制造成本較低的情況下，有效抑制空化現象。

(a)二層氣相體積分數 (b)三層氣相體積分數

圖9 氣相體積分數分布情況

試驗驗證

為驗證上述理論分析和數值模擬結果的準確性，在設計工況下進行了調節閥的中試試驗，試驗裝置及流程見圖10。通過NI USB數模轉換裝置，使用Labview進行上位機開發，對調節閥的壓力、流量進行數據采集。

圖10 中試試驗及數據采集系統

中試試驗裝置的實驗結果表明，1.5 MPa的介質壓力經過三級減壓后能夠達到良好的降壓效果，流量滿足設計要求。調節閥經過長時間運行后，觀察內部零部件未發生明顯變化，但汽蝕現象為金屬材料疲勞腐蝕的過程，需長期積累，且目前的空化可視化試驗裝置成本較高，因此本次中試暫未對空化可視化試驗進行研究。

結語

對軸流式調節閥籠罩結構進行了結構優化設計，并對其籠罩式多級降壓進行了流場特性分析。通過數值模擬和中試試驗相結合的方法，研究了不同結構參數對流量、壓力以及空化的影響，得出主要結論如下：

（1）由軸流式調節閥的速度場分布得出二層、三層籠罩的多級降能較好地實現工況2200 m3/h的流量要求，流量仿真值與工況要求誤差不超過1%，最后一級套筒出口流速不超過30 m/s。但調節閥籠罩附近的流場變化較為復雜，流速較高，應重點關注。

（2）由軸流式調節閥的壓力場和氣相體積分數分布得出二層、三層籠罩均可實現介質壓力從1.5 MPa降至0.15 MPa的工況壓降要求，滿足壓差運行工況。對比二層、三層籠罩的氣相體積分數，發現兩層籠罩由于壓力梯度變化較大，在40%以內的小開度情況下會發生空化現象，最大氣相體積分數達到了0.92；而三層籠罩結構，在整個開度分析過程中，最大氣相體積分數為0.22，結合壓力云圖可知最小壓力出現在20%開度下，為0.05758 MPa，未低于飽和蒸氣壓，故三層籠罩具有良好的空化抑制作用。

（3）利用NI USB數據采集工具和Labview上位機開發，對調節閥的壓力、流量進行了數據采集，結果表明1.5 MPa的介質壓力經過三級減壓后能夠達到良好的降壓效果，流量滿足設計要求。但由于空化可視化試驗裝置成本太高，因此本次中試暫未對空化可視化試驗進行研究。

*本文節選自《閥門 · 學術版》2025年第5期，文章內容不代表個人立場，如有不同觀點，可留言，友好交流，共同進步。